Investigadores logran un avance en técnica de imagen biomédica y tratamiento del cáncer

Grupo de la Universidad de São Paulo transformó la hidroxiapatita, un material biocerámico, en una nanopartícula con luminiscencia intrínseca mejorada

Agência FAPESP – El Grupo de Nanomedicina y Nanotoxicología (GNano) del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP) descubrió una manera de transformar la hidroxiapatita, un material biocerámico, en una nanopartícula con luminiscencia intrínseca mejorada. Esto abre el camino para el uso de nanomateriales biocompatibles y de bajo costo en técnicas de imagen biomédica.

“Demostramos que la inserción de grupos carbonato en la estructura de la hidroxiapatita aumenta la concentración de defectos cristalinos, responsables de intensificar la luminiscencia intrínseca del material. Tras la funcionalización con citrato, que mejora la estabilidad coloidal en medio acuoso, estas nanopartículas de fosfato de calcio pueden aplicarse como agentes luminiscentes para bioimagen celular”, explica a la Agência FAPESP Thales Rafael Machado, uno de los participantes del estudio y becario de la FAPESP.

La investigación fue coordinada por el profesor Valtencir Zucolotto, del IFSC-USP, y realizada en conjunto con el Centro de Ingeniería Molecular de Materiales Avanzados (CEMol), uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID, por sus siglas en portugués) de la FAPESP, con sede en el Centro Nacional de Investigación en Energía y Materiales (CNPEM), en Campinas.

Machado detalla que los descubrimientos se lograron mediante el control de la concentración de defectos estructurales y puntuales en las nanopartículas de hidroxiapatita, obtenido por la incorporación de diferentes contenidos de carbonato durante la síntesis. La muestra con mayor contenido de carbonato presentó la luminiscencia más intensa.

“La capacidad de bioimagen se demostró al visualizar la internalización de las nanopartículas en células mediante microscopía confocal de fluorescencia, explorando exclusivamente su luminiscencia intrínseca. La internalización celular también fue confirmada por citometría de flujo, igualmente basada en la señal luminiscente de las partículas, mientras que la biocompatibilidad se evaluó mediante ensayos de citotoxicidad celular”, señala Machado.

Según el investigador, el estudio de la química de defectos y de la luminiscencia intrínseca en hidroxiapatita carbonatada también contribuye al desarrollo de nuevos materiales fotocatalíticos basados en hidroxiapatita para aplicaciones ambientales, además de proporcionar bases para estudios espectroscópicos de tejidos duros, como huesos y dientes. “Estos conocimientos también pueden explorarse en la producción de scaffolds [estructuras] luminiscentes para ingeniería de tejidos”, añade.

El trabajo fue publicado en la revista ACS Nanoscience Au, de la American Chemical Society.

Tratamiento del cáncer

En un estudio paralelo, el GNano y el CEMol desarrollaron una estrategia eficiente y robusta para transportar la gemcitabina, un quimioterápico ampliamente utilizado en el tratamiento de cánceres como el de páncreas, utilizando nanopartículas de fosfato de calcio como vehículo.

“El sistema fue diseñado para ser doblemente sensible al pH, manteniendo el fármaco inactivo en condiciones fisiológicas normales, como en el torrente sanguíneo, y liberándolo en su forma activa solo en ambientes más ácidos, característicos de regiones tumorales. Esto favorece una mayor biodisponibilidad y potencial terapéutico”, afirma Machado.

El estudio fue publicado en la revista ACS Applied Bio Materials, también de la American Chemical Society.

Además, el grupo demostró que es posible funcionalizar la superficie de las nanopartículas con ácido fólico mediante enlaces covalentes altamente estables. El folato actúa como molécula de direccionamiento, porque muchas células tumorales presentan mayor demanda de esta vitamina.

“De esta forma, el sistema combina liberación controlada y direccionamiento activo, promoviendo una mayor concentración del fármaco en las células tumorales analizadas, de cáncer de mama y de cáncer cervical, potencialmente reduciendo efectos secundarios indeseados en tejidos sanos”, explica el investigador de la USP de São Carlos.

Los descubrimientos comenzaron con el desarrollo de un profármaco, en el cual la gemcitabina fue unida a un polímero biocompatible llamado carboximetilcelulosa. En esta forma, el medicamento queda más protegido contra la degradación prematura en el organismo y solo se libera en ambientes ácidos, como los encontrados en tumores o en ciertas vesículas en el interior de las células, permaneciendo estable en el torrente sanguíneo. Ese mismo polímero se utilizó para estabilizar las nanopartículas de fosfato de calcio en suspensión, evitando su aglomeración.

Machado destaca que los hallazgos contribuyen al desarrollo de tratamientos contra el cáncer más eficaces y seguros: “Al mantener el fármaco inactivo durante su circulación en el organismo y liberarlo preferentemente en el ambiente tumoral, el sistema tiene potencial para reducir los efectos secundarios y aumentar la acción del medicamento directamente en las células tumorales”.

El uso de nanopartículas de fosfato de calcio, un material biocompatible y ya presente de forma natural en el cuerpo humano, hace que la estrategia sea más segura. La combinación entre liberación controlada, respuesta al pH tumoral y direccionamiento activo mediante ácido fólico representa un avance en el área de la nanomedicina y de terapias más precisas.

“Sistemas como estos podrán hacer la quimioterapia más eficiente, con dosis menores y menos daños a los tejidos sanos, mejorando la calidad de vida de los pacientes durante el tratamiento”, afirma el investigador.

El GNano ha desarrollado una serie de nuevos materiales nanoestructurados para diagnóstico y terapias avanzadas contra el cáncer, además de sistemas de liberación más segura de defensivos agrícolas y para aumentar la vida útil de insumos biológicos.

El artículo Defect-related photoluminescence in hydroxyapatite nanoparticles modulated by carbonate incorporation puede leerse en: pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnanoscienceau.5c00140.

El artículo Dual pH-responsive calcium phosphate nanoparticles conjugated with folate by CuAAC click chemistry for targeted gemcitabine delivery to cancer cells puede leerse en: pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsabm.5c01683.